ETAI TECH / 自有品牌

O2 Sensor 氧氣感測器

ETAI O₂ Sensor

01 / SENSING PRINCIPLE

氧化鋯氧氣感測原理

氧化鋯型氧氣感測器（Zirconia O₂ Sensor）的工作原理基於固體電解質的氧離子導電特性，以及濃差電池效應（能斯特方程式，Nernst Equation）。

在高溫下導電
氧化鋯（ZrO₂）在常溫下為絕緣體。摻雜氧化釔（Y₂O₃）穩定後，其晶格具有氧空缺；加熱至約 300°C 至 600°C 以上時，氧離子（O²⁻）可透過氧空缺遷移，使材料成為氧離子導電的固體電解質。
兩側形成氧濃度差
感測器呈管狀或片狀結構。內側通入已知含氧量的參考氣體（通常為大氣，氧濃度約 21%），外側暴露在待測氣體（真空區）中，形成兩側的氧濃度差。
化學反應與離子遷移
當大氣區為高氧側、待測氣體側（真空區）為低氧側時，高氧側的氧分子獲取電子，還原成氧離子。氧離子穿過高溫氧化鋯陶瓷，流向低氧側，再失去電子，重新結合為氧分子。
高氧側：O₂ + 4e⁻ → 2O²⁻
低氧側：2O²⁻ → O₂ + 4e⁻
產生電壓訊號（能斯特方程式）
兩端鉑金電極（Platinum Electrodes）因電荷分離而產生電位差（EMF）；電壓大小取決於溫度與兩側氧分壓的比值，由能斯特方程式決定。
- U：電池電壓；T：絕對溫度（K）。
- R：理想氣體常數，8.31 J/(mol · K)。
- F：法拉第常數，9.64 × 10⁴ C/mol。
- pO₂ (air) 與 pO₂ (measuring gas)：參考大氣與待測氣體的氧分壓。